The effect of small and large-scale turbulence on the aeroelastic response of bridges

A fundamental part of atmospheric winds is turbulence, which involves random fluctuations in space and time. These fluctuations cover a range of frequencies which can be linked to spatial scales by assuming the flow as composed of a mixture of eddies with different dimensions: small vortices correspond to high frequencies, while larger vortices are associated with lower frequencies. These different scales affect wind-induced problems on bridges in various ways, interacting with the structure’s dynamic behavior and the surrounding fluid dynamics. Specifically, small-scale turbulence, interfering with surface boundary layers and flow separations, alters pressure distribution around the bridge deck, impacting the resulting aerodynamic forces. Otherwise, large scales cause slow modulations in wind speed and angle of attack, leading to unsteady changes in the flow characteristics around the bridge deck, and consequently in the aerodynamic forces. These effects can be enhanced in case of extreme weather phenomena, such as storms and downbursts, which involve steep and localized changes in wind speed, direction, and angle of attack. Depending on the deck’s aerodynamic properties, such fluctuations can lead to nonlinearities in the aerodynamic forces, which can strongly influence the response of bridges. This research focuses the problem, analyzing both small and large-scale turbulence effects on the aeroelastic behavior of bridges. Small-scale effects are investigated experimentally by generating a homogeneous turbulent flow impacting a deck sectional model of a bridge. To reach this purpose, a grid is designed and installed in the Politecnico di Milano wind tunnel. Subsequently, wind tunnel tests are conducted with and without a grid, by analyzing the aerodynamic and aeroelastic behavior of bluff bodies with increasingly complex geometries. Test results shown that small-scale turbulent flows can be used to fill the gap between Reynolds numbers achieved in wind tunnel tests and those characterizing atmospheric conditions, mainly impacting flow separations from curved or sharp-edge geometries as in the case of bridge decks. Large-scale effects are investigated numerically by using a nonlinear rheological model. Specifically, the method proposed by Diana et. al. for synoptic winds is updated to simulate the aeroelastic response of bridges under non-synoptic extreme phenomena. As case studies, the response of two bridges, with distinct structural and aerodynamic properties, under non-synoptic storm winds is analyzed. Results highlight that, depending on the aerodynamic characteristics of a bridge deck, low-frequency variations in wind speed and angle of attack, typical of non-synoptic phenomena, can significantly influence the aeroelastic response of the structure. Moreover, these effects would be overlooked by using standard linearized numerical approaches.

Una componente fondamentale dei venti atmosferici è la turbolenza, che è caratterizzata da fluttuazioni random nello spazio e nel tempo. Queste fluttuazioni coprono un range di frequenze che può essere associato a delle scale spaziali assumendo il flusso come una combinazione di vortici di diverse dimensioni: i piccoli vortici corrispondono alle alte frequenze, mentre i vortici più grandi sono associati a frequenze più basse. Queste diverse scale influenzano in vari modi i problemi indotti dal vento sui ponti, interagendo con il comportamento dinamico della struttura e con la fluidodinamica circostante. In particolare, la turbolenza di piccola scala, interferendo con gli strati limite superficiali e le separazioni di flusso, modifica la distribuzione di pressione attorno all'impalcato del ponte, influenzando le forze aerodinamiche risultanti. Al contrario, le scale di dimensione maggiore determinano una lenta modulazione della velocità del vento e dell'angolo di attacco, causando variazioni non stazionarie delle caratteristiche del flusso attorno all'impalcato e, di conseguenza, delle forze aerodinamiche. Questi effetti possono essere amplificati in presenza di fenomeni meteorologici estremi, come tempeste e downburst, che comportano variazioni brusche e localizzate della velocità del vento, della direzione e dell'angolo di attacco. A seconda delle proprietà aerodinamiche dell'impalcato, tali fluttuazioni possono portare a non linearità nelle forze aerodinamiche, influenzando significativamente la risposta dei ponti. Questa ricerca si concentra su questo tema, analizzando gli effetti della turbolenza di piccola e grande scala sul comportamento aeroelastico dei ponti. Gli effetti della turbolenza di piccola scala vengono studiati sperimentalmente generando un flusso turbolento omogeneo che investe un modello sezionale di impalcato di ponte. A tal fine, è stata progettata e installata una griglia nella galleria del vento del Politecnico di Milano. Successivamente, sono stati condotti test in galleria del vento con e senza griglia, analizzando il comportamento aerodinamico e aeroelastico di corpi tozzi con geometrie via via più complesse. I risultati dei test hanno mostrato che i flussi turbolenti di piccola scala possono essere utilizzati per colmare il divario tra i numeri di Reynolds raggiunti nei test in galleria del vento e quelli che caratterizzano le condizioni atmosferiche al vero, influenzando principalmente le separazioni di flusso da geometrie curve o a spigolo vivo, come nel caso degli impalcati dei ponti. Gli effetti della turbolenza di grande scala sono invece studiati numericamente utilizzando un modello reologico non lineare. In particolare, il metodo proposto da Diana et al. per i venti sinottici è stato aggiornato per simulare la risposta aeroelastica dei ponti in presenza di fenomeni estremi non sinottici. Come casi di studio, è stata analizzata la risposta di due ponti, con proprietà strutturali e aerodinamiche distinte, sottoposti a venti non sinottici. I risultati evidenziano che, a seconda delle caratteristiche aerodinamiche dell'impalcato, le variazioni a bassa frequenza della velocità del vento e dell'angolo di attacco, tipiche dei fenomeni non sinottici, possono influenzare significativamente la risposta aeroelastica della struttura. Inoltre, tali effetti verrebbero trascurati utilizzando approcci numerici standard linearizzati.